CN105780930A - 一种stf高耗能滑移支座 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种STF高耗能滑移支座，其包括上连接板、叠层钢板柱构件、下连接板与空心柱体，所述上连接板与叠层钢板柱构件连接形成上部构件，所述下连接板与空心柱体的端面连接形成下部构件；所述上部构件与下部构件相互配合，使所述叠层钢板柱构件位于所述空心柱体的内部；所述上连接板、空心柱体、下连接板与所述叠层钢板柱构件形成的空间内填充有STF；所述空心柱体与上连接板之间设有滑动摩擦材料层。采用本发明的技术方案，综合利用了摩擦材料的特性和STF的剪切增稠特性，无须外界能量输入设备，结构简单、体积较小、质量较轻、成本低廉以及施工方便等优点，使被保护的工程结构实现更好的隔震效果。

Description

一种STF高耗能滑移支座

技术领域

本发明属于工程结构隔震技术领域，尤其涉及一种STF高耗能滑移支座。

背景技术

地震是人类面临的重大自然灾害之一，以汶川大地震为例，地震共造成69197遇难，失踪18209人，直接经济损失8451亿元人民币。因此，研究工程结构的隔震技术是十分有必要的。

隔震支座体系通常可分为三类：第一类是叠层橡胶支座隔震体系，包括橡胶支座和铅芯橡胶支座等。这类支座是通过延长结构基本自振周期来实现隔震的，但是由地震长周期成分引起的共振却将不能完全避免，而且这类支座隔震层的造价较高。第二类是摩擦滑移支座隔震体系。这类支座的隔震能力和隔震效果取决于摩擦系数，但由于滑移摩擦层接触面积较大，整个滑移面很难保证水平，从而造成摩擦系数的离散性较大。同时该体系与动静摩擦系数的差异有关，当振动速度不断增加且摩擦阻力减小较大时，就可能出现负刚度的现象，从而不仅造成隔震层滑移量过大，且有时可能出现滑移失稳。第三类是复合隔震支座体系，这类支座主要是利用橡胶支座和滑移支座的并联或串联组成复合隔震体系，该体系发挥了两种隔震的优点。但是，这种复合隔震体系力学模型复杂，且提供的阻尼力有限，尤其是在近震场地的长周期和位移脉冲作用下，工程结构由于隔震层位移较大而遭受破坏。

针对传统隔震支座对由近断层长周期地震引起的工程结构控制效果不理想的问题，许多学者提出利用智能材料对隔震支座的刚度和阻尼进行调节，如电流变弹性体、磁流变液体、磁流变弹性体以及形状记忆合金等。这些智能材料一个共同的特点就是需要外界能量的输入才能引起材料特性的改变，且这个改变过程需要一定的时间，即使是毫秒级响应，地震作用就已经对隔震结构造成了严重的损坏。另外，为了保证给这些智能材料提供足够的外界能量，或者是产生足够诱发条件，这由些智能材料构成的橡胶隔震支座一般体积较大、质量较重、成本昂贵、结构复杂以及散热困难等。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种STF(ShearThickeningFluid，剪切增稠液体)高耗能滑移支座，将摩擦材料的特性和STF的剪切增稠特性相结合，无须外界能量输入设备，结构简单、体积较小、质量较轻、成本低廉以及施工方便等优点，使被保护的工程结构实现更好的隔震效果。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种STF高耗能滑移支座，其包括上连接板、叠层钢板柱构件、下连接板与空心柱体，所述上连接板与叠层钢板柱构件连接形成上部构件，所述下连接板与空心柱体的端面连接形成下部构件；所述上部构件与下部构件相互配合，使所述叠层钢板柱构件位于所述空心柱体的内部；所述上连接板、空心柱体、下连接板与所述叠层钢板柱构件形成的空间内填充有STF；所述空心柱体与上连接板之间设有滑动摩擦材料层。

STF是一种性能优良的智能材料，STF特性取决于其剪切应变率，在承受高应变率荷载时，接触界面的表观粘度发生巨大变化，甚至由液相转变为固相，即发生剪切增稠行为，此时STF的剪切模量远大于其初始的剪切模量，且呈非线性式跳跃增长。当荷载撤销时，STF能瞬时由固相转变为液相，即这种变化是可逆的。因此，利用STF制成的支座在无须外界能量输入的情况下，依据支座的振动速度就能瞬时非线性增加其阻尼力，从而使被保护的工程结构实现隔震效果。鉴于上述理由，本发明人对STF和滑移支座进行了深入研究，本案由此产生。

采用此技术方案，所述STF高耗能滑移支座充分利用滑动摩擦材料和STF材料的特性，在地震能量不大时，依靠滑动摩擦材料耗能减小地震向上部结构输入的能量；在地震能量较大时，如近断层地震，STF液体被迫挤压通过钢板间隙而产生足够大的阻尼力，从而消耗地震的能量，减小地震的能量向上部结构的输入。所述STF高耗能滑移支座无须外界能量的输入，依据其振动的速度使STF发生剪切增稠行为，从而为支座提供足够的阻尼来消耗地震的能量，同时支座的柱体结构也限制了隔震层的滑动位移。在强震作用下，上连接板通过滑动摩擦材料层发生滑动，进而带动与其连接的叠层钢板柱结构移动并挤压STF迫使其发生剪切增稠行为而产生巨大的阻尼力，从而吸收地震的能量。所述下连接板与空心柱体的端面连接形成的凸出柱结构的下部构件通过下连接板与基础固定而限制了上部结构在地震中滑移量过大的问题。

优选的，所述滑动摩擦材料层伸出于所述空心柱体与上连接板之外。采用此技术方案，保证所述空心柱体与上连接板之间填充的摩擦材料层覆盖所有空心柱体与上连接板的连接处，实现更好的隔震效果。

作为本发明的进一步改进，所述上连接板与空心柱体的连接处设有STF密封件。

作为本发明的进一步改进，所述上连接板与叠层钢板柱构件固定连接集成为一体。

作为本发明的进一步改进，所述下连接板与柱体固定连接集成为一体。

作为本发明的进一步改进，所述叠层钢板柱构件包括多层钢板和圆柱，所述多层钢板层层叠加并以圆柱为中心形成一个整体，构成所述叠层钢板柱构件。

其中，所述多层其钢板之间的间距、钢板与上连接板之间的间距、钢板与下连接板之间的间距相等或者不等，主要依据地震的能量大小而设计。

作为本发明的进一步改进，所述多层其钢板之间的间距、钢板与上连接板之间的间距、钢板与下连接板之间的间距相等。

作为本发明的进一步改进，所述叠层钢板柱构件通过圆柱与所述上连接板形成一个整体。

作为本发明的进一步改进，所述多层钢板之间、钢板与上连接板之间、钢板与下连接板之间充满有STF。即STF包裹整个叠层钢板柱结构且充满于钢板之间以及钢板与上下连接板之间。

作为本发明的进一步改进，所述空心柱体的内壁、所述STF与上连接板之间设有STF密封件。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：

第一，与传统隔震支座相比，本发明的技术方案综合利用了摩擦材料和STF的剪切增稠特性，使被保护的工程结构实现隔震效果，其原理是利用滑移摩擦材料减小地震动特性向上部结构传递，如地震剪力和地震加速度，该摩擦材料系数选择应保证在地震能量较小时可充分吸收地震能量；而较大的隔震层水平位移和结构侧向位移则通过上连接板的叠层柱结构挤压STF迫使其从钢板之间及钢板与上、下连接板之间的间隙h中流动，依据上、下连接板间相对速度v，STF剪切速率为当剪切速率达到发生剪切增稠行为条件时，STF通过剪切增稠行为吸收地震的能量，从而使隔震层水平位移和结构侧向位移得到限制。

第二，采用本发明的技术方案，所述STF高耗能滑移支座利于所述下连接板与空心柱体的端面连接形成的凸出柱结构的下部构件通过下连接板与基础固定，提供了支撑上部构件的竖向刚度和水平向滑动的安全措施，当地震能量超出滑动摩擦材料和STF吸收能力时，下部构件的水平间距限制了上部构件整体的移动，从而保证所述STF高耗能滑移支座的水平位移在相关规范允许的范围内，即保证了工程结构安全。因此，本发明可以适用于任何情况的地震作用，包括近断层长周期地震和位移脉冲等。

第三，与主动控制的智能隔震支座相比，本发明中的STF也是一种智能材料，但仅与剪切应变率有关，在地震冲击作用下，STF能瞬间增稠而增加其阻尼力进行耗能，而滑移支座是摩擦系数越小，其滑动能力越强，因此，两者可以很好的结合起来。

第四，本发明的技术方案是一种高耗能的被动控制滑移支座，在地震作用的瞬间，支座就会产生相应的响应，不存在主动控制的智能材料响应时间问题，能更有效的保护主体结构。再者，本发明是被控控制机制，因此，无须外界能量输入设备，也无须考虑各种相关设备存在的问题，如漏磁，漏电，温度散热等。

第五，本发明的支座具有结构简单、体积较小、质量较轻、成本低廉以及施工方便等优点。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图。

图2是图1的A-A向剖面结构示意图。

图3是图1的B-B向剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1～图3所示，一种STF高耗能滑移支座，其包括上连接板11、叠层钢板柱构件12、下连接板21与空心柱体22，所述上连接板11与叠层钢板柱构件12固定连接集成为一体形成上部构件1，所述下连接板21与空心柱体22的端面固定连接集成为一体形成凸出柱结构的下部构件2；所述上部构件1与下部构件2相互配合，使所述叠层钢板柱构件12位于所述空心柱体22的内部；所述上连接板11、空心柱体22、下连接板21与所述叠层钢板柱构件12之间形成的空间内填充有STF3；所述空心柱体22与上连接板11之间设有滑动摩擦材料层4。所述上连接板11与空心柱体22的连接处、所述空心柱体22的内壁、所述STF3与上连接板11之间设有STF密封件5。所述叠层钢板柱构件12包括多层钢板121和圆柱122，所述多层钢板121层层叠加并以圆柱122为中心形成一个整体，构成所述叠层钢板柱构件12。所述叠层钢板柱构件12通过圆柱122与所述上连接板11固定连接形成一个整体。所述多层钢板121之间的间距、钢板121与上连接板11之间的间距、钢板121与下连接板21之间的间距相等。所述多层钢板121之间、钢板121与上连接板11之间、钢板121与下连接板21之间充满有STF3。

在地震作用下，上连接板11通过滑动摩擦材料层4而发生滑动，进而带动与其连接的叠层钢板柱构件12移动并挤压STF3，迫使其发生剪切增稠行为而产生巨大的阻尼力，进而消耗地震的能量。另一方面，所述的下部构件2通过下连接板21与基础固定而限制了支座在地震中滑移量过大的问题；该滑移量通过下部构件2与叠层钢板柱结构12的距离被设置在结构侧向位移允许的范围内。为了防止震后结构的残余滑移量过大问题，地震的能量通过STF3的阻尼力进行消耗，其阻尼力的大小可通过设置与钢板121之间的间隙、钢板121与上连接板11之间的间隙、钢板121与下连接板21之间的间隙、以及钢板121的面积而获得。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种STF高耗能滑移支座，其特征在于：其包括上连接板、叠层钢板柱构件、下连接板与空心柱体，所述上连接板与叠层钢板柱构件连接形成上部构件，所述下连接板与空心柱体的端面连接形成下部构件；所述上部构件与下部构件相互配合，使所述叠层钢板柱构件位于所述空心柱体的内部；所述上连接板、空心柱体、下连接板与所述叠层钢板柱构件形成的空间内填充有STF；所述空心柱体与上连接板之间设有滑动摩擦材料层。

2.根据权利要求1所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述上连接板与空心柱体的连接处设有STF密封件。

3.根据权利要求2所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述上连接板与叠层钢板柱构件固定连接集成为一体。

4.根据权利要求3所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述下连接板与柱体固定连接集成为一体。

5.根据权利要求3所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述叠层钢板柱构件包括多层钢板和圆柱，所述多层钢板层层叠加并以圆柱为中心形成一个整体，构成所述叠层钢板柱构件。

6.根据权利要求5所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述叠层钢板柱构件通过圆柱与所述上连接板形成一个整体。

7.根据权利要求5所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述多层其钢板之间的间距、钢板与上连接板之间的间距、钢板与下连接板之间的间距相等。

8.根据权利要求6所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述多层钢板之间、钢板与上连接板之间、钢板与下连接板之间充满有STF。

9.根据权利要求6所述的STF高耗能滑移支座，其特征在于：所述空心柱体的内壁、所述STF与上连接板之间设有STF密封件。